当一架飞机的速度达到音速(每小时约1225公里时),会产生一种“音障”的现象,这时,听到风吹过窗外就会发出一阵刺耳的嗖嗖声,这种现象就是“打破音障”,这一速度单位往往是什么?
飞行速度常用该单位的一个原因是为了将飞机的速度与音速进行对比,以便人们能够更快、更具体地了解当下的速度、音速的关系,从而提高飞行器的操纵性能和飞行安全性。
马赫是一种无量纲的物理量,用来描述飞机在空气中飞行时的速度,它由德国科学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)在19世纪提出,用这一单位表示机身速度与声音的速率的比值,即M = v/a,式中,v是飞行器的速度,a是空气中的声速,一般来说,M的数值为1时,飞行器的速度和声速相等,为声速的1倍,即“超音速飞行器”。
在其他情况下,就是次音速、超声速、高超声速、超高超声速等状态,可以用基本的马赫数来进行划分。
声速的数值随着飞机飞行的高度和密度而发生变化,一般来说,声速大小为343米/秒。
在海平面上,温度为摄氏度15°时,声速大小为340米/秒,因此,马赫数的数值为1时,飞行器的速度为343米/秒。
在4000米高度,温度为摄氏度0°时,声速大小为315.5米/秒,也就是说,空气密度降低,声速随之降低。
飞行高度越高,空气密度越小,飞行速度也越大,从而加大飞行中遇到的阻力,减缓速度,能够更好地让飞行器与供氧介质进行化学反应,保持有利于供氧反应的状态,同时,在电子器件上散热,维持其正常运行,其他同样能够保持飞行器输出电能的电子工具也能够作用。
因此,马赫数能够帮助飞行员了解当前速度与音速的关系,更好地操控飞行器,突破音障,提高飞行安全性。
飞行器在飞行过程中,由于在空气中高速飞行,会引起将空气压缩的过程,产生的高压物质称为“激波”,同时也会产生向周围空气传播的压缩波,这些波往往会在飞行器附近跑马观花,对飞行器进行破坏。
飞行器的速度越快,压缩波传播的距离就越远,产生的影响就更大,因此,马赫数可以帮助人们了解飞行器在空气中飞行时,空气的压缩程度,空气动力学特性,以及对飞行器的影响有多大。
因此,飞行器的马赫数是在当前区域的飞行速度与音速的比值,衡量空气对飞行器的阻力和压力。
飞行器在飞行速度很小时,空气压缩的过程很弱,这时,可将空气视为连续的流体,讨论其运动特性。
此时,流体就是牛顿流体,它的运动特性可以通过介质的密度、黏度、黏层、黏滞力、黏性等特性来刻画,也能够通过相对于介质的速度和流体的运动速度来进行描述。
在流体的视角下,牛顿力学定律也能够准确描述机体的运动特性,但是,当机体的速度足够快,超过了空气对飞机的牵制力后,牛顿力学定律就无法准确预测空气的运动特性,这时,空气就会分离出激波和压缩波,同时形成低压区域,产生一种大气动力现象,称为“艾氏激波”,此时,飞机处于“超音速”状态。
在马赫数为1以下,飞机的速度小于声速,此时,飞机的速度变化不会传播到它周围的空气,也就是说,飞机前后的空气不会发生转向,不会向飞机周围传播。
当飞机的速度大于声速,一阵阵压缩波和激波不断袭来,一会儿来自飞机前方,一会儿来自飞机后方,频繁地改变飞机周围空气的流向,引起空气的混乱,这是飞机处于超音速状态时,声音异常刺耳、空气发出特定的轰鸣声的原因。
因此,马赫数能够准确描述飞机超音速飞行的空气动力学特性,以便飞行员了解飞机当前的状态,进行及时操控,尽可能减小超音速飞行对飞机的影响。
在飞行器出现之前,马赫数的概念并不常用,人们对音速,以及超声速的概念更为熟悉,当时的飞行速度都是相对较低的,因此,马赫数的概念一直被隐藏在空气中,没有引起人们的重视。
直到20世纪初,飞机飞行速度得到了巨大的飞速发展,飞行速度逐渐赶上了音速,飞行器激波和压缩波对飞行器的破坏作用逐渐显现,飞机的“音障”现象也越发引起飞行员的注意,为了突破音障,人们对马赫数的概念进行了深入研究,并将其作为飞机速度的单位,用来帮助飞行员了解飞机当前状态,从而提高飞行安全性。
马赫数的概念并不仅仅适用于飞行领域,它同样适用于其他高速运动领域,比如超音速列车、导弹等都可以用马赫数来帮助人们理解其运动特性。
同时,马赫数的概念也可以把飞机的速度的概念延伸到其他介质中,比如水中潜艇、鱼类,以及潜水器等,都可以用马赫数的概念进行描述,有助于理解它们在水中的运动特性,以及对水的影响。
此外,随着宇宙航天技术的不断发展,人类对宇宙空间的探索越发深入,飞船的速度越来越快,人们如何在宇宙空间中更好地操控飞船就成为一个更加重要的问题,飞船在太空中的运动特性也可以用马赫数的概念进行描述,有助于人们更好地理解太空中飞船的运动特性,从而提高飞船的操控性和安全性。
因此,马赫数的概念还有更广阔的研究空间,能够在更多领域发挥作用,激发更多人的想象力,促进科学技术的发展。
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